第5讲化学反应与电能（原卷版）

第5讲化学反应与电能考点1化学能转化为电能一、火力发电——化学能间接转化为电能1.原理：火电(火力发电)是通过化石燃料(如煤、石油、天然气)燃烧，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。(2)能量转化过程：化学能热能机械能电能其中,燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键。(3)弊端：①排出大量的温室气体,如CO2;②有的废气可能导致酸雨,如含SO2的废气;③产生废渣、废水;④化石燃料储量有限;⑤能量转化率低。二、原电池——化学能直接转化为电能1.实验探究实验步骤装置图实验现象原因解释(1)将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象Zn片：锌片溶解，表面产生无色气泡Cu片：无变化反应的离子方程式：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑；Cu片表面无明显变化的原因：铜排在金属活动性顺序表氢的后面，不能从酸溶液中置换出氢气(2)用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象Zn片：锌片溶解Cu片：铜片表面有气泡锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生(3)用导线连接锌片和铜片，并在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表指针是否偏转Zn片：锌片溶解Cu片：铜片表面有气泡电流表A指针偏转电流表指针偏转说明：导线中有电流；Cu片上有气泡说明：溶液中的氢离子在铜片表面获得电子发生还原反应产生氢气，从铜片上放出①实验中所用的酸是稀硫酸，也可以用稀盐酸，但不能用浓硫酸或硝酸。②实验中用到的电极的表面积要大，并且要洁净,实验前最好用酸将锌片和铜片洗几遍，然后用水洗干净。电极材料必须纯净无杂质，如果锌片和铜片上有杂质，会形成较多的微电池，导致实验现象不明显。2.分析实验现象:当插人稀硫酸的锌片和铜片用导线连接时,由于锌比铜活泼,锌与稀硫酸反应而失去电子,被氧化为Zn2+而进入溶液:Zn2e=Zn2+(氧化反应)。电子由锌片通过导线流向铜片,电子的定向移动产生了电流,使电流表指针发生偏转。溶液中的H+从铜片获得电子,被还原成H原子,H原子间结合成H2，从铜片上逸出:2H++2e=H₂↑(还原反应)。发生的总反应为：Zn+2H+=Zn2++H₂↑。3.原电池的概念通过特定的装置使氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，可以使氧化还原反应中转移的电子通过导体发生定向移动,形成电流,实现化学能向电能的转化。这种把化学能转化为电能的装置叫做原电池。在原电池中，电子流出（氧化反应）的一极是负极，电子流入的（还原反应）一极是正极。总反应：氧化剂+还原剂=还原产物+氧化产物;负极反应：还原剂ne=氧化产物(氧化反应);正极反应：氧化剂+ne=还原产物(还原反应)。4.原电池的构成条件理论上，自发进行的氧化还原反应均可构成原电池。具体条件是：①有一个自发的氧化还原反应;②有两个活动性不同的电极(金属与金属或金属与能导电的非金属),一般其中较活泼的金属作负极,发生氧化反应，较不活泼的金属(或能导电的非金属)作正极,发生还原反应;③有电解质溶液(或熔融电解质);④两极用导线相连，形成闭合回路。5.原电池的工作原理原电池工作时，负极上发生失去电子的氧化反应，电子通过导线流向正极，溶液中的氧化性物质在正极得到电子，发生还原反应，氧化反应和还原反应不断发生，负极上的还原性物质不断失去电子，失去的电子不断地通过导线流向正极被氧化性物质得到，闭合回路中不断地有电子和离子的定向移动，就形成了电流，即化学能转化为电能。原电池中正负极的判断方法(1)根据电极反应或总反应方程式来判断作还原剂、失电子、化合价升高、发生氧化反应的电极是负极作氧化剂、得电子、化合价降低、发生还原反应的电极是正极(2)根据外电路中电子流向或电流方向来判断电子流出或电流流入的一极负极；电子流入或电流流出的一极正极(3)根据内电路(电解质溶液中)中离子的迁移方向来判断阳离子向正极移动；阴离子向负极移动(4)根据原电池的两电极材料来判断两种金属(或金属与非金属)组成的电极，若它们都与(或都不与)电解质溶液单独能反应，则较活泼的金属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应，则能反应的电极作负极。6.原电池原理的主要应用（1）加快氧化还原反应的速率：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率（2）比较金属活动性的强弱(1)方法：一般情况下，负极的金属活动性比正极的金属活动性强。(2)常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼。（3）设计原电池A.依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原B.选择合适的材料①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应（4）制造化学电源：如各种干电池、蓄电池、燃料电池等。（5）保护金属设备：例如，船体一般为钢铁材料，在海水中易被腐蚀，如果在船体外壳焊接上比铁活泼的金属Zn，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。原电池电极反应式的书写方法1.遵循三个守恒(1)得失电子守恒：元素的化合价每升高一价，则元素的原子就会失去一个电子，元素的化合价每降低一价，则元素的原子就会得到一个电子。(2)电荷守恒：电极反应左、右两边的正电荷和负电荷数相等。(3)原子守恒(质量守恒)：电极反应两边同种原子的原子个数相等。2.电极反应式的书写方法（1）负极反应式的书写①若负极材料本身被氧化，要考虑金属失去电子生成的阳离子是否与电解质溶液反应。a.金属电极失去电子生成的金属阳离子不与电解质溶液反应，负极反应式：Mne=Mn+。如锌、铜、稀硫酸构成的原电池，负极反应式为Zn2e=Zn2+。b.金属电极失去电子生成的金属阳离子与电解质溶液反应，书写负极反应式时需将金属失电子的反应和金属阳离子与电解质溶液的反应叠加。如铅蓄电池的负极反应式为Pb2e+SO42=PbSO4。②负极材料本身不参与反应，如燃料电池，在书写电极反应式时，要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加。如以NaOH溶液为电解质溶液的氢燃料电池，负极反应式为H22e+2OH=2H2O。(2)正极反应式的书写首先要判断在正极发生还原反应的物质，然后再根据具体情况写出正极反应式。①若负极材料与电解质溶液能自发地发生化学反应时，在正极上发生还原反应的物质是电解质溶液中的某种微粒。如锌、铜、稀硫酸构成的原电池，锌能与稀硫酸反应正极反应为2H++2e=H2↑；若电解质溶液换为CuSO4溶液，则正极反应为Cu2++2e=Cu。②若负极材料与电解质溶液不能自发地发生化学反应时,在正极上发生还原反应的物质一般是溶解在电解质溶液中的O2。如铁、铜、氢氧化钠构成的原电池，Fe与NaOH溶液不反应，正极反应为O2+4e+2H2O=4OH。③若反应产物与电解质溶液反应，要写相应的叠加式。如铅蓄电池的正极反应为PbO2+2e+4H++SO42=PbSO4+2H2O。(3)电极总反应式的书写①直接根据原电池反应原理书写，如氢氧燃料电池，无论电解质溶液是酸性、碱性或中性，总反应方程式均为2H2+O2=2H2O。②“加和法”：总反应方程式=负极反应式+正极反应式。注意，只有电子转移数目相等时方可直接加和。3.书写电极反应的基本规则(1)两极得失电子数目相等。(2)电极反应式常用“=”表示，不用“→”表示。(3)电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；而有固体生成时，由于固体附着在电极上，不必加“↓”。(4)书写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H+、OH或H2O。4.书写电极反应式的基本类型(1)题目给定原电池的装置图，未给总反应式。①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。②结合电解质判断出还原产物和氧化产物③写出电极反应式，将两电极反应式相加(注意两极得失电子数相等)可得总反应式。(2)题目中给出原电池的总反应式①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应。②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应考虑电解质是否参与了反应。③若有一个电极反应式较难写出，可先写出较易写出的电极反应式，然后再用总反应式减去该电极反应式即得到另一电极反应式。【典例1】下图是土豆电池的示意图。土豆电池工作时，下列有关说法正确的是(    )A.Fe作负极，电极反应式为：

Fe−3e−=Fe3+

B.Cu作正极，Cu片质量减少

C.电子由Fe【典例2】某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述错误的是(

)A.a和b不用导线连接时，铁片上会有气泡生成

B.a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为2H++2e−=H2↑

C.无论a和【典例3】某锌−空气电池反应为2Zn+O2=2ZnO，电解质溶液为NaOH溶液。下列说法错误的是(A.锌片作电池的负极

B.氧气在正极发生还原反应

C.理论上每转移1 mol电子消耗标准状况下氧气的体积为5.6 L

D.电池工作时，电解质溶液中OH【典例4】某实验兴趣小组以Zn和Cu为电极，稀硫酸为电解质溶液组成原电池，并对实验进行了拓展研究，以下实验记录错误的是(    )A.铜片上有气泡产生，锌片逐渐溶解

B.电流在导线中从Zn电极流向Cu电极

C.把Cu换成Mg，电流计指针发生逆向偏转

D.把稀硫酸换成硫酸铜溶液，电流计指针依然偏转【典例5】依据氧化还原反应：2Ag+(aq)+Cu(s)=C(1)电极X的材料是______；电解质溶液Y是______。(2)银电极为电池的______极，发生的电极反应为

____________，X电极上发生的电极反应为______________________。(3)外电路中的电子是从______电极流向______电极。(4)X电极看到的现象是_________________，发生___________(填氧化或还原)反应。(5)上述原电池每消耗64gCu同时转移电子数为______________________。考点2化学电池化学电池分为一次电池（干电池）、二次电池（充电电池）、燃料电池等。1.一次电池（普通锌锰电池）结构酸性锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质电极反应负极Zn2e=Zn2＋正极2MnO2＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2e=Mn2O3＋2NH3↑＋H2O总反应Zn＋2MnO2＋2NH4=Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3↑＋H2O缺陷酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀改进措施a.在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；b.将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池；c.负极材料由锌片改为锌粉。2.碱性锌锰电池用湿的KOH代替NH4Cl作电解质时，电池的能量和储存时间都能得到显著的提高，此时为碱性锌锰电池。它的负极反应式为Zn+2OH2e=Zn(OH)2，正极反应式2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH，总反应式Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)23.二次电池（铅蓄电池）（1）充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能电能。结构铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅Pb，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开电极反应总反应Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)负极Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)2e=PbSO4(s)正极PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e=PbSO4(s)＋2H2O(l)特点常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全缺点：铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，还消耗电解质溶液,使溶液中自由移动的离子浓度降低,导电能力下降。（2）镍镉电池以Cd为负极，NiO(OH)为正极，KOH为电解质，总反应式为2NiO(OH)+Cd+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2镍镉电池寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池若不回收会严重污染环境。（3）锂离子电池碱金属中的Li是最轻的金属，活动性很强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。锂的活动性很强，易与水发生反应，故锂电极不能与含水的介质接触，一般采用有机介质。（4）银锌电池银锌电池正极填充Ag2O和石墨，负极填充锌汞合金，电解质溶液为KOH。总反应式为Zn+Ag2O+H2O2Ag+Zn(OH)2负极:Zn2e+2OH=Zn(OH)2正极:Ag2O+2e+H2O=2Ag+20H。4.燃料电池燃料电池的构成燃料电池是一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)与氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体，电解质通常有四种情况：=1\*GB3①稀硫酸②KOH溶液=3\*GB3③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32=4\*GB3④固体电解质是掺杂了Y2O3（三氧化二钇）的ZrO2（氧化锆）固体，高温下能传导O2离子燃料电池装置示意图特点=1\*GB3①清洁、安全、高效②料的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上=3\*GB3③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低=4\*GB3④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用=5\*GB3⑤供电量易于调节，能适应于电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用情景正负极反应式电解质溶液负极正极酸性（H+）H22e==2H+O2+4H++4e==2H2O中性（Na2SO4）H22e==2H+O2+2H2O+4e==4OH碱性（OH）H2+2OH2e==2H2OO2+2H2O+4e==4OH甲醇燃料电池电解质溶液：KOH溶液正极反应式：3O2+6H2O+12e==12OH负极反应式：2CH3OH+160OH－12e==2CO32+12H2O总反应式：2CH3OH+3O2+4KOH==2K2CO3+6H2O。

【典例1】下列有关原电池的叙述正确的是(

)A.一切氧化还原反应都可设计成原电池

B.燃料电池是将热能转变为电能的装置

C.原电池的正极发生的是还原反应，负极发生氧化反应

D.在锌锰干电池中，锌单质做负极，锰单质做正极【典例2】锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率，称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是A.两者正极材料不同

B.MnO2的放电产物可能是KMnO4

C.两者负极反应式均为Zn失电子

D.原电池中【典例3】下列说法中正确的是(    )A.锌锰干电池是二次电池

B.铜片、锌片、导线和高橙组成的水果电池，负极是铜片

C.铅蓄电池的充电过程，从能量转换形式看是电能转化为化学能

D.由Zn、Cu和稀硫酸组成的原电池，工作时溶液中的阳离子移向负极【典例4】下列有关电池叙述正确的是(    )A.化学电池的反应本质是复分解反应

B.铅蓄电池放电时，是电能转化为化学能的过程

C.锌锰干电池碳棒是负极，锌片是正极

D.锌锰干电池工作一段时间后锌外壳逐渐变薄一、单选题1.电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发展是化学对人类的一大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(

)A.原电池反应均是自发的氧化还原反应

B.氢氧燃料电池工作时氢气在正极被氧化

C.氢氧燃料电池是将热能转化为电能的装置

D.铅蓄电池在放电过程中，负极质量减少，正极质量增加2.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是(    )A.如图所示，可用Pt电极代替Cu电极做正极

B.如图所示，通入氧气的一极为正极

C.如图所示，锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄

D.如图所示，原电池Pb+PbO2+2H2SO3.某锌−空气电池反应为2Zn+O2=2ZnO，电解质溶液为NaOH溶液。下列说法错误的是(A.锌片作电池的负极

B.氧气在正极发生还原反应

C.理论上每转移1 mol电子消耗标准状况下氧气的体积为5.6 L

D.电池工作时，电解质溶液中OH4.某科研团队研发出“纸电池”(如图)。一面镀锌、一面镀二氧化锰的超薄电池在使用印刷与压层技术后，变成一张可任意裁剪大小的“电纸”，厚度仅为0.5毫米，可以任意弯曲和裁剪。纸内的离子“流过”水和氧化锌组成电解液，电池总反应式：Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnO(OH)。下列说法正确的是

A.该电池的正极材料为锌

B.该电池反应中二氧化锰发生了氧化反应

C.电池的正极反应式为MnO2+H25.电子表所用的纽扣电池，两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，电池反应为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OHA.锌为负极，被还原

B.纽扣电池工作时，OH−移向Ag2O

C.每6.5 g6.已知反应Cu(s)+2Ag+(aq)=Cu2+(aq)+2Ag(s)为一自发进行的氧化还原反应，将其设计成如下图所示原电池。下列说法中正确的是

(A.电极X是正极，其电极反应为Cu−2e−= Cu2+

B.银电极质量逐渐减小，Y溶液中c(Ag+)增大

C.7.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是(

)A.甲：Zn2+向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H+浓度增加

B.乙：正极的电极反应式为Ag8.下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是(

)A.电池Ⅰ中锌是正极

B.电池Ⅱ是一次电池

C.电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应

D.电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒9.水溶液锂电池是当今锂电池研发的前沿和方向之一，它用普通的水溶液替换传统锂电池中的有机电解质溶液。我国化学家研发的一种水锂电池采用复合膜包裹的金属锂作负极，锰酸锂(LiMn2O4)作正极，以0.5 mol·L−1A.该电池放电时，溶液中的锂离子向电极b移动

B.该电池的负极反应式为：2Li+2H2O=2LiOH+H210.一种新型燃料电池，以镍板为电极插入KOH溶液中，分别向两极通乙烷和氧气，电极反应为：C2H6+18OHA.通氧气的电极为正极

B.参加反应的O2与C2H6的物质的量之比为7∶2

C.放电一段时间后，KOH的物质的量浓度将下降11.一种酸性生物燃料电池应用的原理如图所示，下列说法错误的是A.Ca2+、Mg2+透过离子交换膜X移向a极

B.负极反应式为C6H12O6+612.一种新型可逆电池的工作原理如图所示。放电时总反应为表示石墨)。电解质为含AlCl4−的熔融盐，下列说法正确的是(

)A.放电时负极反应为2Al−6e−+7Cl−=Al2Cl7−

B.放电时13.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用，如图所示是几种常见的化学电源示意图，有关说法正确的是(    )A.干电池工作时，H+向锌筒移动

B.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池

C.铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 g

D.氢氧燃料电池的正极反应一定是O14.下列电池工作时，O2在正极放电的是

(

)A. B.

C. D.15.美国一个海军航空站曾安装了一台250kW的MCFC型燃料电池，该电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为600°C∼700°C，所用电极为石墨、燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3，已知该电池的总反应为：2H2A.正极反应为4OH−−4e−=O2↑+2H2二、填空题16.在铜、锌原电池中，以稀硫酸为电解质溶液(如图)，则此原电池中锌电极上发生的是______反应(“氧化”或“还原”)，电极反应式为________________；铜为_____极，电极反应式是__________；若电路中有0.4mol电子通过时，负极质量会变化____克；在内电路中，SO42−向_________极定向移动。17.观察下图，回答问题。(1)该装置叫_________装置，可以将_________能转化为_________能。(2)在外电路中电子由_________流向_________。(3)负极是_________，电极反应为______________________。(4)正极是_________，电极反应为_______________，总反应为______________。18.理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请你利用下列反应“Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+”设制一个化学电池，并回答下列问题：

①该电池的正极材料可能是

______，电解质溶液是______。

②在外电路中，电流方向是从______极到______极。

③正极的质量

______ (填“增加”，“减少”或“不变”)，负极的反应是

_______________。

请按照下列模版答题上传

①：________________；___________________。

②：从__________极到__________极。

③三、实验题19.用铜丝、锌粒、稀硫酸和导线、电流计、试管、烧杯等进行下列实验探究。(1)在一支试管中加入一粒纯锌粒和少量稀硫酸。①实验现象是_________________________________________________________________。②反应的离子方程式为_____________________________。(2)在另一试管中加入一粒纯锌和少量稀硫酸，再将一根粗铜丝插入试管，观察现象。①如果铜丝没有与锌粒接触，实验现象是：___________________________________。此时锌是通过什么途径将电子转移给氢离子？_____________________________。②如果铜丝与锌粒接触，实验现象是___________________________________________。此时锌是通过什么途径将电子转移给氢离子？________________________________。在此实验中，金属铜__________(填“有”或“没有”)失去电子，反应过程中____(填“有”或“没有”)电流产生。(3)将锌片和铜片用导线连接，平行插入盛放稀硫酸的烧杯中。①实验现象是。②该装置中锌作__________极，电极反应为_____________________________________，该反应属于__________反应(填“氧化”或“还原”)；铜作__________极，电极反应为____________________________________________，